浓盐酸与二氧化锰反应临界浓度的研究

广东北江中学“研究性学习”案例集108浓盐酸与二氧化锰反应临界浓度的研究高二（11）班李韵魏永杰陈劲朱翡翠林业恒指导教师谢小莹曾锦平【摘要】本文运用氧化还原反应电极电势与能斯特方程的理论知识，分析了盐酸的浓度对浓盐酸与二氧化锰反应的进程的影响，揭示了稀盐酸与二氧化锰不能反应的原因。通过对不同实验方案的探讨，选择了通过测定反应生成Cl2，来计算反应停止时剩余溶液中HCl的质量分数的实验方案来进行测量，并通过实验，粗略测算出浓盐酸与二氧化锰反应的临界浓度约为21.85%。【关键词】浓盐酸二氧化锰临界浓度【问题的提出】我们在高一化学的学习中知道，实验室制氯气中的其中一种方法是：浓盐酸与二氧化锰反应制氯气。在课堂上老师强调要使用浓盐酸去制取，这引起我们极大的兴趣：浓盐酸与二氧化锰反应的临界浓度（指浓盐酸与二氧化锰由反应到不反应时浓盐酸的浓度）究竟要达到多少呢？浓盐酸的浓度，反应中的温度，盐酸被氧化的程度与反应有什么关系呢？对此我们进行了研究。【研究目的】通过研究，测算出浓盐酸与二氧化锰反应盐酸的临界浓度，为实验室制取氯气时盐酸的用量和浓度的选择提供参考。【研究过程】1、查阅各种高中化学参考书和大学《无机化学》，寻找理论依据；2、设计实验方案，进行实验测定；3、对测量结果进行计算、分析，得出结论。【研究结果】一、理论分析：实验室制取氯气的其中一个方法用二氧化锰与浓盐酸共热制取氯气，其反应方程式为：4HCl(浓)+MnO22H2O+Cl2↑+MnCl2，属于氧化还原反应。查阅大学《无机化学》，我们知道，氧化还原反应发生的方向：强氧化型1+强还原型2==弱还原型1+弱氧化型2将氧化还原反应看作原电池反应，并将电池反应分解为两个电极反应，反应物中还原剂的电对作负极，反应物中氧化剂的电对作正极。当负极的电势（()）更负，正极的电势()更正，电子就可以自动地由负极流向正极。或者说，电流能自动的由正极流广东北江中学“研究性学习”案例集109向负极。负极的还原型能将电子自动给予正极的氧化型，电池电动势必须为正，既E＝()－()＞0，反应就能自动向右进行。根据这一理论，我们将盐酸与二氧化锰的反应拆成两个半反应，并从《无机化学》中查出他们的标准电极电势（标准状态、离子浓度为1mol/L时的电极电势，用表示）：还原剂：Cl2+2e－2Cl－＝1.3583V氧化剂：MnO2+4H++2e－Mn2++2H2O＝1.228V()()E＝1.228V－1.3583V＝－0.1323V＜0说明在室温（298K），盐酸浓度为1mol/L，Cl2的分压为101.3kPa时，反应不能自发地向右进行。根据能斯特方程：0.0592(lg(cnc氧化型)还原型)，在温度保持298K的条件下，改变盐酸的浓度，其电极电势变为：4()20.0592[()]1.228lg2()cHVcMn，2()20.05921.3583lg2[()]ClpVcCl24()()220.0592[()]0.05920.1323lglg2()2[()]ClpcHEVcMncCl由此我们不难看出，增大溶液中H+的浓度，可以增强MnO2－Mn2＋电对的氧化性，从而使原本不能向右自发进行的氧化还原反应自发向右进行。我们试图通过理论计算，从上述表达式求出当E＝0时，盐酸的临界浓度（[H+]），但很显然，要解出该方程式，就必须要测出Mn2＋、Cl－的浓度，这显然是很难做到的。我们唯有通过定量实验的方式进行测算。二、实验方案设计方案一：广东北江中学“研究性学习”案例集110实验依据：根据寻找上限及下限的方法（采用各种不同浓度的盐酸与二氧化锰反应），最后得出临界浓度。此方案需要配制许多各种浓度的盐酸，步骤繁多，同时会浪费许多药品，生成大量的氯气也会污染环境，有损健康。而且测得的数据不精确，不能达到我们研究的目的。方案二:实验依据：浓盐酸与二氧化锰反应过程中，浓盐酸的浓度不断降低，当盐酸浓度降至临界浓度时，反应停止。根据反应生成氯气的体积，可求出参加了反应的HCl的质量。用反应前HCl的总质量减去参加反应HCl的质量，算出剩余HCl的质量，再求出反应后剩余盐酸的质量（不含氯化锰），就可以求出临界浓度。该方案的优点是器材少，操作简单，但计算较为复杂。分析上述两种方案，我们不难看出：方案二的可操作性强，因此我们决定按方案二来进行测定。（一）实验过程：1、仪器：铁架台、铁圈、铁夹、酒精灯、大试管、导管若干支、单孔塞、广口瓶、大烧杯2个、温度计、25mL酸式滴定管、100mL的量筒。2、药品：浓盐酸、二氧化锰、饱和氯化钠溶液、氢氧化钠溶液。3、具体实验过程：①将装置按改进装置由下到上，由左到右连接好，检查装置的气密性。②用酸式滴定管向大试管中加入2.40mL36％浓盐酸。③将试管倾斜，将一药匙MnO2小心的放在试管上半部分，塞紧胶塞，将试管竖直，使MnO2滑入试管底部，与浓浓盐酸MnO2饱和食盐水方案二装置图方案二装置图（改进）浓盐酸MnO2饱和食盐水热水广东北江中学“研究性学习”案例集111盐酸接触反应。④往烧杯中注入大半杯热水（约80℃）。当水温下降时点燃酒精灯加热烧杯内的水，将温度控制在80摄氏度左右，直到反应完全进行完毕。⑤待到全装置恢复到室温后，测出排出的饱和氯化钠溶液的体积（即生成氯气的体积）。⑥打开胶塞，将氢氧化钠溶液倒入到试管中以达到除去剩余氯气的目的。⑦将氢氧化钠溶液倒入广口瓶中除去瓶中的氯气。⑧拆除并清洗仪器。4、结果：对于这个方案我们进行了多次实验，经过筛选得出三次实验的数据来作为计算的数据。三次的实验所测得的数据如下表第一次实验第二次实验第三次实验盐酸的用量2.40mL2.40mL2.40mL二氧化锰的用量一大药匙一大药匙一大药匙氯气的体积78mL81mL79mL实验时室温为21℃（294K），压强为常压（假定为标准大气压）。所用浓盐酸浓度为36％，密度是1.18g/cm3。（二）计算：由查理－盖吕萨克定律可知，在气体物质的量和压强一定时，有1122VTVT，设标准状况下Cl2的体积为V0(Cl2)，室温（T）下测定的氯气的体积为V(Cl2)，则有022()273()VClKVClT。将上表中的数据分别代入计算，得V0(Cl2)1＝72.4mL，V0(Cl2)2＝73.4mL，V0(Cl2)3＝75.2mL。由化学方程式4HCl(浓)+MnO2==2H2O+Cl2↑+MnCl2可得：0224()[()4()耗]mVClnHClnClV02222()()2()mVClnHOnClV所以，反应停止时溶液中盐酸的溶质质量分数（溶液质量只考虑HCl和水，不考虑MnCl2）为2[()[()[()()100100[()][()][()]()mHClmHClmHClHClmHClaqmHClaqmHClmHO余]总]-耗]％=％余总耗w广东北江中学“研究性学习”案例集11222[()][()]()[()]()100[()][()][()]()()()HClaqVHClaqHClnHClMHClHClaqVHClaqnHClMHClnHOMHO耗=％耗w02002224()[()][()]()()1004()2()[()][()]()()mmmVClHClaqVHClaqHClMHClVVClVClHClaqVHClaqMHClMHOVV=％w0200222[()][()]()4()()100[()][()]4()()2()()mmHClaqVHClaqHClVVClMHClHClaqVHClaqVVClMHClVClMHO=％w把相关数据（浓盐酸浓度为36％，密度为1.18g/cm3，浓盐酸体积为2.40mL以及标况下氯气体积V0(Cl2)1＝72.423mL，V0(Cl2)2＝75.214mL，V0(Cl2)3＝73.357mL，Vm＝22.4L/mol，M(HCl)＝145.844g/mol，M(H2O)＝18.015g/mol）分别代入，得1()HClw＝22.12%，2()HClw＝21.51%，3()HClw＝21.92%1322.12%21.51%21.92%21.85%33结论：浓盐酸与二氧化锰反应的临界浓度是：21.85％。（三）误差分析：1、浓盐酸具有挥发性，因此实际我们用到的盐酸质量分数未必是瓶中标示的36%，可能会更低。2、实验过程需要加热，因此在实验中会有一部分的HCl挥发，溶于饱和的氯化钠溶液中。3、虽然氯气在饱和食盐水中溶解度较低，但仍会有少量的氯气溶于食盐水中，造成实际测定的氯气体积偏低。4、各仪器的精确度。上述原因可使测定结果出现偏差。【收获与体会】在这一课题的研究中，我们的组员皆能秉承团结协作，共同努力的精神。经历了长达半年多的课题研究历程。我们从中学习了许多课本上所学不到的知识，研究中的方案广东北江中学“研究性学习”案例集113完全是我们自己想出来的并由自己组装仪器。这样不仅提高了我们的创新精神和独立思考问题的能力，并且锻炼了我们的动手能力。课题研究的过程中，我们都多次遇到了看似不可解破的难题，但我们都能够迎难而上，积极的在书籍中、网上的资料中寻找解决问题的办法，并能够虚心请教指导老师，直到解决问题为止。在多次的实验中，由于我们的操作经验有限，有时会造成疏忽，我们都能冷静地处理好。从而增强了我们的自我应变能力。同时，通过本次的研究中学会了进行科学实验研究的途径和科学研究中严谨求实，知难而进的精神。最后，希望我们的研究能够对同学们学好高中化学有所帮助，对实验室制取氯气时盐酸的用量和浓度选择提供参考。【参考文献】1、人民教育出版社化学室编著．《全日制普通高级中学教科书（必修）·化学·第一册》．北京：人民教育出版社，2003．6，第一版2、北京师范大学无机化学教研室等编．《无机化学·上册》（第三版）．北京：高等教育出版社，1992．5【指导教师评析】本课题对学生而言是有相当难度的。因为该反应虽然是高一所学的内容，但深入探讨需要用到大学化学的有关知识，并且反应产生的氯气是有毒气体。然而该课题组的同学毫不畏惧，在老师的指导下，自学了大学《无机化学》的有关内容，设计了各种实验方案，在中学实验室有限的条件下，经过多次实验及艰苦的分析整理工作，初步完成了这项研究，得出了科学性较强的结论，其契而不舍的钻研精神值得称赞。当然，由于一些客观原因，该文还不够完善，实验方案还存在缺陷，得出的数据与结论也存在一定的误差。但作为中学生，能做到这一步已经很不错了，这篇文章仍不失为一篇优秀的研究性学习论文。